CN109088462B - 一种含交流模块的电池主动均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种含交流模块的电池均衡装置，包括电池组、逆变单元、均衡单元，所述逆变单元输入端与电池组的电池正极B+和电池负极B‑相连接，逆变单元的输出端与所有均衡单元的输入端串联连接，形成回路；均衡单元的正极输出端和负极输出端分别与所要均衡的电池单体的正负极相连接；逆变单元的结构为桥式逆变电路、半桥式逆变单路、推挽逆式变电路，以及其他种类的单相逆变电路；均衡单元为含有半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路，以及其它种类的整流电路。该装置能够对任意多个单体电池同时进行均衡控制，均衡效率高，除了逆变单元；不需要高速功率开关器件，成本低、控制简单灵活、发热低，仅需要与单体电池数量相同的可控开关。

Description

一种含交流模块的电池主动均衡装置

技术领域

本发明涉及一种含交流模块的电池主动均衡装置，属于锂电池等相关电池的管理系统，特别是对多个单体电池串联进行均衡的均衡电路。

背景技术

随着锂电池和储能技术的发展，对电池管理系统的要求也越来越高。多个单体电池串联，由于单体电池本身的性能不一致，在充放电过程中会产生不均衡问题，会造成电池的老化，影响电池的寿命和安全性。

目前对电池进行均衡的方法主要有被动式均衡方法和主动式均衡方法。其中被动式均衡方法主要是电阻耗能式，在每一颗单体电池并联一个电阻分流，耗能均衡就是将容量多的电池中多余的能量消耗掉，实现整组电池电压的均衡。例如中国专利CN102457078A、CN106329667A、CN102195314A、CN107492924A、CN108063473A分别公开了几种不同形式的耗能式均衡电路及其控制方法。耗能式均衡不仅会消耗宝贵的能量还会引起系统发热。

主动均衡方法是将单体能量高的转移到单体能量低的，或用整组能量补充到单体最低电池，在实施过程中需要一个储能环节，好让能量通过这个环节重新进行分配。中国专利CN 207098716U、CN103248077A、CN105391130A、CN102111003A、CN104113110A公开了几种采用电感储能的电池均衡电路，而CN107994651A、CN103051029A、CN107579575A、CN107317376A、CN106816930A公开了几种采用电容储能的电池均衡电路。不论采用电感储能还是采用电容储能，都需要多个高速开关的功率开关器件，成本较高、控制复杂，且不能同时对任意单体电池进行均衡控制，因此均衡效率较低。

中国专利CN104577227A、CN104201743、CN107785957A、CN107834655A公开了几种采用变压器隔离或者采用DC/DC变换器集中式主动均衡电路，由于仅采用一个变压器均衡所有单体电池，因此变压器抽头多，制作安装困难，不合适电池组的变化。此外需要多个高速功率开关器件，成本高控制复杂。而且不能同时对多个任意单体电池进行均衡。

综上所述，现有技术中被动式均衡电路存在不仅会消耗宝贵的能量，而且还会引起系统发热等诸多问题。主动均衡需要多个高速功率开关器件，成本高、控制复杂、需要散热、不能同时均衡多个任意单体电池、均衡效率低。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种含交流模块的电池均衡装置，与现有技术相比，能够对任意多个单体电池同时进行均衡控制，均衡效率高，除了逆变单元，不需要高速功率开关器件，成本低、控制简单灵活、发热低，仅需要与单体电池数量相同的可控开关即可。

本发明采取的技术方案为：

为了达到上述目的，本发明的一种含交流模块的电池均衡装置，包括电池组、逆变单元、均衡单元，电池组包括电池正极B+、电池负极B-，其特征在于，所述电池组还包括检测线、均衡线；所述逆变单元包括输入端、输出端，输入端与电池组的电池正极B+和电池负极B-相连接；所述均衡单元包括输入端、正极输出端、负极输出端，逆变单元的输出端与所有均衡单元的输入端串联连接，形成回路；所述均衡单元的正极输出端和负极输出端分别与所要均衡的电池单体的正负极相连接；所述逆变单元的结构为桥式逆变电路、半桥式逆变单路、推挽逆式变电路，以及其他种类的单相逆变电路；所述均衡单元为含有半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路，以及其它种类的整流电路。

所述桥式逆变单元还包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、电流传感器、输出电感；所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关组成单相桥式逆变电路，电流传感器检测输出电感上的输出电流，进行电流反馈控制。

所述半桥式逆变单元还包括第一功率开关、第二功率开关、电流传感器、第一电容、第二电容、输出电感；所述第一功率开关、第二功率开关和第一电容、第二电容组成单相半桥式逆变电路，电流传感器检测输出电感上的输出电流，进行电流反馈控制。

所述全波整流式均衡单元还包括变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、滤波电感、旁路可控开关；所述变压器的原边并联旁路可控开关后与输入端相连接，旁路可控开关接通时，将变压器的原边旁路，变压器的副边带中心抽头，所述变压器的原边和每个副边的匝数相同，与第一整流二极管、第二整流二极管组成全波整流电路，所述整流电路的正极输出端经过滤波电感后与正极输出端相连接，所述整流电路的负极与负极输出端相连接。

所述全桥整流式均衡单元还包括变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、滤波电感、旁路可控开关、第三整流二极管、第四整流二极管；所述变压器的原边并联旁路可控开关后与输入端36相连接，旁路可控开关接通时，将变压器的原边旁路，变压器的副边与第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管组成全桥整流电路，所述整流电路的正极输出端经过滤波电感后与正极输出端相连接，所述整流电路的负极与负极输出端相连接。

所述旁路可控开关与变压器的原边并联，安装在变压器的原边与整流电路之间，当路可控开关接通时，将变压器的原边短接。

所述均衡单元中的所有变压器的原边串联后与逆变单元的输出端连接形成回路；所述均衡单元中的旁路可控开关，通过对旁路可控开关的控制，当旁路可控开关接通时停止对所连接的电池单体的均衡操作，当旁路可控开关断开时对所连接的电池单体进行均衡充电。

所述逆变单元，通过电流传感器进行电流反馈，从而控制均衡电流大小。

通过对均衡单元的控制，可以同时对1个至n-1个电池单体进行均衡控制，其中n为电池单体个数，n为大于等于1的整数。

所述逆变单元的输入端，也可以与独立的外接电源相连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，采用主动均衡控制方式，减少电池能量损耗，减少均衡电阻发热。

本发明的一个效果在于，采用交流模块进行均衡控制，仅使用少数高频功率开关器件，成本大大降低，控制简单灵活。

本发明的一个效果在于，每个均衡单元采用独立的高频变压器，结构简单，安装方便，可以任意多个电池串联均衡，实现主动均衡电源与单体电池的电气隔离，更加安全可靠。

本发明的一个效果在于，可以对任意1至n-1个单体电池同时进行均衡操作，其中，n为电池组中单体电池的个数。

本发明的一个效果在于，利用低频的可控开关甚至是继电器等可以对均衡单元进行旁路，而不必采用高频功率开关器件对均衡电路进行控制，使控制大为简化，降低了系统成本。

本发明的一个效果在于，在对电池进行均衡控制的同时，可以继续向电池组补充电能，使电池在达到均衡的同时，也达到充满状态。

附图说明

图1传统耗能式均衡电路示意图；

图2传统电感储能转移式均衡电路示意图；

图3传统电容储能转移式均衡电路示意图；

图4传统单体到组能量转移式均衡电路示意图；

图5传统组到单体能量转移式均衡电路示意图；

图6是本发明均衡电路示意图；

图7是本发明中桥式逆变单元示意图；

图8是本发明中半桥式逆变单元示意图；

图9是本发明中可旁路的全波整流式均衡单元示意图；

图10是本发明中原边可旁路的全桥整流式均衡单元示意图；

图11是本发明中副边可旁路的全桥整流式均衡单元示意图；

图12是本发明中主动均衡装置应用实例；

图13是本发明中接独立的外接电源应用实例。

附图中，各标号所代表的部件：

1、电池组，2、逆变单元，3、均衡单元，4、外接电源，101、检测线；102、均衡线，201、第一功率开关，202第二功率开关，203、第三功率开关，204、第四功率开关，205、电流传感器；206、输入端子，207、输出端子，208、第一电容，209、第二电容，210、输出电感，301、变压器，302、第一整流二极管，303、第二整流二极管，304、滤波电感，305、旁路可控开关，306、输入端，307、正极输出端，308、负极输出端，309、第三整流二极管，310、第四整流二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

在锂电池为代表的电池能量管理系统中，均衡控制即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡单元是电池管理系统的核心部件。电池在制造和使用过程中会产生性能不一致现象，性能不一致会导致寿命减少和可靠性降低。传统的均衡单元分为主动均衡和被动均衡两个大类。被动均衡主要是电阻耗能式，在每一颗单体电池并联一个电阻分流，耗能均衡就是将容量多的电池中多余的能量消耗掉，实现整组电池电压的均衡。传统耗能式均衡电路示意图如图1所示，电池组1由n个单体电池串联组成，与之相连的检测线101通过检测单元检测单体电池的电压，通过电压检测控制均衡线102所连接的均衡单元。图1中的耗能式均衡单元是由泄放电阻R(i)和控制开关S(i)组成，其中i＝1、2、3…n。利用检测单元得到单体电池电压，对电压较高的电池接通其控制开关S(i)并通过R(i)把电能泄放掉，使该单体电池的电压与其他单体电池电压一致。这样就白白消耗了电池中存储的电能，使泄放电阻R(i)发热。

图2为传统电感储能转移式均衡电路示意图，其中的S(i)为高频功率开关器件，工作在高频开关状态下，通常开关频率大于10kHz，因此S(i)会有较大的开关损耗，发热严重。该均衡电路，只能在相邻两个单体电池间进行电压均衡。例如，如果B1电压高于B2电压，就控制S1进行斩波控制，使B1上的电能储存到L1中，并通过D2充入B2中，因此，只能依次对相邻两个电池进行均衡。如果B1电压最高，Bn电压最低，那么均衡过程就非常长，均衡效率非常低，而且在均衡过程中会损失大量电能。

与电感储能类似的为电容储能转移式均衡电路，见图3。该电路的储能元件为电容C(i)。其中的S(i)为高频功率开关器件，工作在高频开关状态下，通常开关频率大于10kHz，因此S(i)会有较大的开关损耗，发热严重。该均衡电路，只能在相邻两个单体电池间进行电压均衡。例如，如果B1电压高于B2电压，就控制S1、S3和S2、S4交替快速导通。当S1、S3导通时，B1电压与C1电压平衡，能量传入C1。当当S1、S3断开，S2、S4导通时，B2电压与C1电压平衡，电能由C1传入B2，如此交替往复使B1与B2电压达到均衡。因此，改电路只能依次对相邻两个电池进行均衡。如果B1电压最高，Bn电压最低，那么均衡过程就非常长，均衡效率非常低，而且在均衡过程中会损失大量电能。此外如果相邻两个单体电池电压相差较大时，会引起较大的均衡电流，对功率开关器件的要求和电容的要求都非常高。

图4为传统单体到组能量转移式均衡电路示意图，每个单体电池通过与之相连接的变换器，把多余的电能升压后充入整个电池组。但是为了实现多个单体电池的控制，其变压器制作非常复杂，每个单体电池都需要一个绕组，这样变压器绕组个数就决定了电池的个数，如果改变电池串联的个数，就需要重新制作变压器。而且变压器的安装非常困难，绕组的一致性也非常难以保证。

图5为传统组到单体能量转移式均衡电路示意图，是将电池组的能量通过变换器分别充入单体电池，这样就不能有选择地对任意电池进行均衡控制，所以控制效果较差。而且也与图4所示的电路类似，存在着变压器制作困难，绕组一致性查，均衡效果不佳的问题。

为了克服上述问题，本发明采用交流变换器对单体电池分别进行均衡控制，其变压器相互独立，且简单可靠，制作和安装方便、灵活。通过向电池组1中每个容量落后的电池单体补充电能达到均衡目的，当电池组均衡完成后，所有电池单体达到了充满状态。

本实施例如图6所示，逆变单元2的输入端与电池组1的正负极相连，也可以直接与充电机的正负极相连，将直流电逆变为高频交流电，然后与串联连接的均衡单元3的输入端相连，形成一个回路。均衡单元3的个数与电池组1中的单体电池个数n相同，并且均衡单元3的输出端分别与对应的单体电池的正负极相连接。

在一个实施例中，逆变单元2采用桥式逆变电路，如图7所示。所述桥式逆变单元2包括第一功率开关201、第二功率开关202、第三功率开关203、第四功率开关204、电流传感器205、输入端子206、输出端子207、输出电感210。其中，功率开关可以是MOSFET、IGBT或者其他电力电子器件，在本实施例中，仅需要4个高频功率器件，比传统的均衡电路中的功率器件少很多。所述第一功率开关201、第二功率开关202、第三功率开关203、第四功率开关204组成单相桥式逆变电路，把输入的直流电逆变成高频交流电，通过电流传感器205可以检测输出电感210上的输出电流，根据所反馈的电流，通过控制功率开关的占空比可以控制输出电流的大小，使之与给定电流一致，达到最佳均衡状态。

在一个实施例中，逆变单元2采用半桥式逆变电路，如图8所示。所述半桥式逆变单元2包括第一功率开关201、第二功率开关202、电流传感器205、输入端子206、输出端子207、第一电容208、第二电容209、输出电感210。所述第一功率开关201、第二功率开关202组成一个桥臂，通过PWM控制方式产生高频方波电压，所述第一电容208、第二电容209采用容量较大的电解电容串联接到直流母线上，其中点电压近似保持恒定，从其中点溢出一个输出端子207。电流传感器205检测输出电感210上的输出电流，进行电流反馈控制。由于第一电容208、第二电容209对输入端子206所组成的直流母线进行分压，因此输出的方波电压的幅值是输入端子206两端电压的一半，因此可以降低均衡单元3的器件所承受的电压应力。由于只有一个控制桥臂，因此所需的高频功率开关器件只有两个，成本得到了降低。

图9是本实施例中的可旁路的全波整流式均衡单元示意图，所述全波整流式均衡单元3，包括变压器301、第一整流二极管302、第二整流二极管303、滤波电感304、旁路可控开关305、输入端306、正极输出端307、负极输出端308。所述变压器301的副边带中心抽头，原边和每个副边的匝数相同，或者两者匝数接近且原边匝数稍稍多于副边，从而保证每个电路的均衡控制能够顺利进行。所述变压器301的原边并联旁路可控开关305后与输入端306相连接。所述旁路可控开关305可以是半导体电子开关，也可以是机械式继电器或者干簧管继电器等。通过控制信号可以控制旁路可控开关305的导通和关断。当通过控制使旁路可控开关305接通时，将变压器301的原边旁路，则该均衡单元3输出端所连接的单体电池B(i)不进行均衡操作。当通过控制使旁路可控开关305断开时，逆变单元2所输出的高频交流电压通过变压器301传递到副边，再经过整流部分整成直流对该均衡单元3输出端所连接的单体电池B(i)进行均衡操作。变压器301的副边带中心抽头，与第一整流二极管302、第二整流二极管303组成全波整流电路，所述整流电路的正极输出端经过滤波电感304后与正极输出端307相连接。所述变压器301的副边中心抽头与负极输出端308相连接。

在一个实施例中，均衡单元3为原边可旁路的全桥整流式均衡电路，见图10。所述原边可旁路的全桥整流式均衡单元3，包括变压器301、第一整流二极管302、第二整流二极管303、滤波电感304、旁路可控开关305、输入端306、正极输出端307、负极输出端308、第三整流二极管309、第四整流二极管310。所述变压器301的原边和副边的匝数相同，或者两者匝数接近且原边匝数稍稍多于副边。从而保证每个电路的均衡控制能够顺利进行。所述变压器301的原边并联旁路可控开关305后与输入端306相连接。所述旁路可控开关305可以是半导体电子开关，也可以是机械式继电器或者干簧管继电器等。通过控制信号可以控制旁路可控开关305的导通和关断。当通过控制使旁路可控开关305接通时，将变压器301的原边旁路，则该均衡单元3输出端所连接的单体电池B(i)不进行均衡操作。当通过控制使旁路可控开关305断开时，逆变单元2所输出的高频交流电压通过变压器301传递到副边，再经过整流部分整成直流对该均衡单元3输出端所连接的单体电池B(i)进行均衡操作。所述整流部分包括第一整流二极管302、第二整流二极管303、第三整流二极管309、第四整流二极管310组成单相桥式整流电路，所述第一整流二极管302、第三整流二极管309的阴极并联经过滤波电感304后与正极输出端307相连接，所述整流电路的第二整流二极管303、第四整流二极管310的阳极并联与负极输出端308相连接。

在一个实施例中，所述均衡单元3的旁路可控开关305与变压器301的副边并联，处于变压器301副边与整流部分之间。可以对变压器301的副边，也就是整流部分的输入端进行旁路。其效果与旁路可控开关305与变压器301的原边并联一样，均可以控制对所连接的单体电池B(i)的均衡控制，如图11所示。

本实施例中，如图6所示的逆变单元2和均衡单元3，可以采用不同的单元电路，见图7、8、9、10、11。在一个实施例中，采用桥式逆变单元2和可旁路的全波整流式均衡单元3所构成的主动均衡装置如图12所示。其中主动均衡装置，仅需要1个逆变单元2和n个均衡单元3，n为电池组1中单体电池的个数。每个均衡单元3的原边串联，其输出端分别连接对应的单体电池，实现均衡功能。采用均衡控制时，同时进行均衡操作的单体个数小于n。

在一个实施例中，逆变单元2的输入端可以接独立的外接电源4，见图13。

本发明的均衡装置在给单体电池进行均衡操作的过程中也不断为电池补充能量，当电池组1中所有n个单体电池达到均衡时，电池组1的电能也就充满了。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种含交流模块的电池主动均衡装置，包括电池组(1)、逆变单元(2)、均衡单元(3)，电池组(1)包括电池正极B+、电池负极B-，其特征在于，所述电池组(1)还包括检测线(101)、均衡线(102)；所述逆变单元(2)包括输入端子(206)、输出端(207)，输入端子(206)与电池组(1)的电池正极B+和电池负极B-相连接；所述均衡单元(3)包括输入端(306)、正极输出端(307)、负极输出端(308)，逆变单元(2)的输出端(207)与所有均衡单元(3)的输入端(306)串联连接，形成回路；所述均衡单元(3)的正极输出端(307)和负极输出端(308)分别与所要均衡的电池单体的正负极相连接；所述逆变单元(2)的结构为单相逆变电路；所述均衡单元(3)为整流电路；

所述逆变单元(2)为桥式时，还包括第一功率开关(201)、第二功率开关(202)、第三功率开关(203)、第四功率开关(204)、电流传感器(205)、输出电感(210)；所述第一功率开关(201)、第二功率开关(202)、第三功率开关(203)、第四功率开关(204)组成单相桥式逆变电路，电流传感器(205)检测输出电感(210)上的输出电流，进行电流反馈控制；

所述逆变单元(2)为半桥式时，还包括第一功率开关(201)、第二功率开关(202)、电流传感器(205)、第一电容(208)、第二电容(209)、输出电感(210)；所述第一功率开关(201)、第二功率开关(202)和第一电容(208)、第二电容(209)组成单相半桥式逆变电路，电流传感器(205)检测输出电感(210)上的输出电流，进行电流反馈控制；

所述均衡单元(3)还包括变压器(301)、第一整流二极管(302)、第二整流二极管(303)、滤波电感(304)、旁路可控开关(305)；所述变压器(301)的原边并联旁路可控开关(305)后与输入端(306)相连接，旁路可控开关(305)接通时，将变压器(301)的原边旁路，变压器(301)的副边带中心抽头，所述变压器(301)的原边和每个副边的匝数相同，与第一整流二极管(302)、第二整流二极管(303)组成全波整流电路，所述整流电路的正极输出端经过滤波电感(304)后与正极输出端(307)相连接，所述整流电路的负极与负极输出端(308)相连接。

2.如权利要求1所述的一种含交流模块的电池主动均衡装置，其特征在于，所述均衡单元(3)还包括变压器(301)、第一整流二极管(302)、第二整流二极管(303)、滤波电感(304)、旁路可控开关(305)、第三整流二极管(309)、第四整流二极管(310)；所述变压器(301)的原边并联旁路可控开关(305)后与输入端306相连接，旁路可控开关(305)接通时，将变压器(301)的原边旁路，变压器(301)的副边与第一整流二极管(302)、第二整流二极管(303)、第三整流二极管(309)、第四整流二极管(310)组成全桥整流电路，所述整流电路的正极输出端经过滤波电感(304)后与正极输出端(307)相连接，所述整流电路的负极与负极输出端(308)相连接。

3.如权利要求2所述的一种含交流模块的电池主动均衡装置，其特征在于，所述旁路可控开关(305)与变压器(301)的原边并联，安装在变压器(301)的原边与整流电路之间，旁路可控开关(305)接通时，将变压器(301)的原边短接。

4.如权利要求1所述的一种含交流模块的电池主动均衡装置，其特征在于，所述均衡单元(3)中的所有变压器(301)的原边串联后与逆变单元(2)的输出端连接形成回路；所述均衡单元(3)中的旁路可控开关(305)，通过对旁路可控开关(305)的控制，当旁路可控开关(305)接通时停止对所连接的电池单体的均衡操作，当旁路可控开关(305)断开时对所连接的电池单体进行均衡充电。

5.如权利要求1所述的一种含交流模块的电池主动均衡装置，其特征在于，所述逆变单元(2)，通过电流传感器(205)进行电流反馈，从而控制均衡电流大小。

6.如权利要求1所述的一种含交流模块的电池主动均衡装置，其特征在于，通过对均衡单元(3)的控制，同时对1个至n-1个电池单体进行均衡控制，其中n为电池单体个数，n为大于等于1的整数。

7.如权利要求1所述的一种含交流模块的电池主动均衡装置，其特征在于，所述逆变单元(2)的输入端子(206)与独立的外接电源(4)相连接。